汽车高速通信技术： SerDes与以太网技术在传感器和显示屏上的应用 [德]克尔斯滕·马特乌斯迈克尔·凯恩德尔_[德]克尔斯滕·马特乌斯迈克尔·凯恩德尔_9787111777908

这本书全面介绍了面向汽车的新型SerDes和以太网高速通信解决方案。它涉及核心物理组件，如电缆、连接器或PCB设计，以及物理层处理、特定用例协议等。作者提供了关于各种技术选择的上下文和背景，其目的是帮助读者端到端地了解当前的生态系统。本书内容包括概述及背景、汽车应用案例、汽车环境、汽车电磁环境、汽车信道、电源、汽车SerDes技术、高速汽车以太网、相关标准和协议、测试和认证。本书适合汽车电子和通信工程师阅读使用，也适合车辆工程及相关专业师生阅读参考。

众所周知，汽车中电子系统和软件的数量持续增加。不仅越来越多的机械功能被电子功能所取代，而且通常由驾驶人执行的与驾驶相关的功能也被电子系统所替代或支持，同时为更精细和互联的娱乐信息系统提供了空间。从我们的角度来看，所有这一切得以实现的一个最重要的基础设施元素是适合汽车的强大且稳健的通信技术集合，而我们正是这一技术的源头。我们（本书作者，后同）在宝马汽车内部负责车内通信技术的核心部门工作。因此，我们部门的职责涵盖了所有方面：提前预见和识别通信需求，开发和标准化适当的技术，验证和鉴定相应的半导体产品，编写如何在电子控制单元（ECU）和汽车电子电气（EE）架构中部署这些技术的需求规范，确保有可用的工具和测试规范，解决现场出现的意外错误等。所有主要的汽车制造商都有类似的部门，负责类似的任务。一些汽车制造商，如宝马，早期就参与进来。其他汽车制造商可能稍晚一些。这些部门的共同之处是要对用于不同ECU之间通信的网络技术负责，这些技术包括LIN、CAN、FlexRay（如果使用的话），以及最近的汽车以太网（尤其是100Mbit/s）。这些技术在行业中拥有广泛的公开知识基础，并且有各种标准化组织在维护和推进这些技术知识。对于非常特定应用的技术、不属于网络部分的通信链路（通常称为私有通信链路），或者从一级供应商那里购买的封闭系统中的通信功能，情况并不那么直接明了。这些技术通常不是由一个统一的部门处理，而是分散在负责各个应用的团队。对于这些技术，几乎没有（实际上也没有公开的）技术描述和启用规格（如EMC、信道、系统功能、测试等）的信息可供查阅。推动这些技术发展的行业联盟（由具有共同利益的成员组成）也很少见。用于连接摄像头和显示屏的高速通信技术过去常常是这样的特定应用技术。这些技术通常被视为私有的点对点（P2P）链路，每辆车上的数量有限，且采用封闭系统提供，使用专有（如果不是模拟）的通信技术。因此，行业内一直缺乏推动共同努力的动力，直到现在。我们看到有多种原因说明现在是时候承担责任并在行业内扩大知识基础了。1）车内摄像头和显示屏的数量正在增加，同时连接它们的通信链路数量也在增加。2）摄像头和显示屏应用的重要性和安全关键性正在增加。用于自动驾驶功能的摄像头图像的可靠性要求比用于低速停车操作的摄像头图像更高。数字仪表板或替代后视镜显示屏比显示变化相对较慢的地图数据的显示屏具有更高的安全关键性。3）摄像头和显示屏链路的数据速率增加意味着技术挑战也随之增加，表现为信噪比（SNR）阈值降低和对链路损伤的敏感性增加。这要求更具体地了解如何使其正常工作。此外，不仅追求摄像头和显示屏更高的分辨率，也在讨论各种传感器更高的数据速率。4）责任正在转移。汽车制造商开始从不同的一级供应商处购买摄像头和显示屏。随着这种变化，系统不再封闭，通信技术的责任也从一级供应商转移到了汽车制造商身上。5）电子电气架构正在发生变化。汽车制造商正在探索区域架构，但到目前为止，由于缺乏合适通信技术支持的足够数据速率，这些架构不包括摄像头和显示屏的数据传输。汽车SerDes和以太网的新技术的发展为具有较少限制的架构选项提供了可能。6）汽车SerDes和汽车以太网之间的界限变得模糊。对于未来的架构，这两种技术都支持足够的数据速率。通过正确的IC产品设计，未来的SerDes可以集成到以太网网络中，而以太网也可以解决摄像头和显示屏的应用问题。当这两种技术由不同部门处理时，如何有效地探索这一点？7）汽车SerDes正在被标准化，这实际上为汽车行业的相关工作提供了一个官方的框架。这些都是很好的理由，解释了为什么一些汽车制造商已经将摄像头和显示屏链路的责任转移到了中央车载通信技术部门。以我们为例，早在2015年，我们就已经承担了部分SerDes的责任。从那时起，我们进行了调查、学习、实践、收集，并渴望与大家分享。这本书就是我们的成果。它保持了技术的专业性。我们希望这本书能支持各阶段的初学者和专家，全面概述高速（HS）传感器和显示屏通信技术汽车SerDes和高速汽车以太网。我们坚信合理的技术推理，并希望支持所有感兴趣的人得出自己的结论。这是一本全新书籍的第一版，包含了许多新的内容。没有众多同事的协助，我们不可能以同样的质量完成它。他们耐心地回答了我们的所有或大或小的问题。在此，我们按字母顺序感谢以下同事：Heather Babcock（TI）、Kristian Baumann（BMW）、Bert Bergner（TE）、Andreas Brsse（BMW）、Vijay Ceekala（TI）、Jim Conder（Socionext）、Kamal Dalmia（Aviva Links）、Mario Heid（Omnivision）、Stefan Holzknecht（BMW）、Kilian Jacob（BMW）、Ariel Lasry（Qualcomm）、Balagopal Mayampurath（ADI）、Andy McLean（ADI）、Chanakya Metha（TI）、Thorsten Meyer（Valeo）、Roland Neumann（Inova）、Takashi Nishimura（SONY）、Jochen Schyma（NXP）、Anton Sifferlinger（BMW）、Luisma Torres（KDPOF）、Dirk Waldhauser（BMW）、Rick Wietfeldt（Qualcomm）、Conrad Zerna（Aviva Links）和George Zimmerman（CME Consulting）。特别感谢Daniel Hopf（Continental）对全书进行了审阅和注释，他的努力使本书更加连贯和精确。同时，我们也感谢宝马公司为我们提供了机会，让我们能够有所作为。克尔斯滕·马特乌斯和迈克尔·凯恩德尔2022年6月

前言时间线缩略语与术语第1章概述及背景11.1高速传感器和显示屏用例的独特特性31.2汽车SerDes背景51.2.1SerDes的起源51.2.2汽车SerDes术语81.2.3汽车SerDes现状101.3汽车以太网背景121.3.1Ethernet的起源121.3.2汽车行业中的以太网151.3.3HS（高速）汽车以太网简介151.4参考文献17第2章汽车应用案例192.1显示屏192.1.1汽车显示屏简史192.1.2显示屏基础知识及术语222.1.3显示架构262.1.4显示屏典型的通信相关要求302.2摄像头312.2.1汽车摄像头简史312.2.2摄像头基础知识和术语332.2.3摄像头架构362.2.4摄像头软件、功能安全与信息安全382.2.5摄像头的典型通信需求422.3其他传感器432.3.1相关传感器类型432.3.2传感器的整体比较和架构考虑512.4其他应用案例542.5参考文献55第3章汽车环境633.1汽车行业本身633.1.1汽车产品633.1.2汽车的研发和生产653.2一般汽车要求703.2.1与使用有关的要求703.2.2监管要求733.3汽车半导体753.3.1半导体质量753.3.2半导体性能783.3.3半导体供应783.4参考文献79第4章汽车电磁环境834.1电磁兼容性（EMC）834.1.1电磁干扰的基本原理844.1.2相关EMC等级854.1.3EMC测试方法概述884.1.4屏蔽对EMC的影响914.2静电放电（ESD）984.2.1无电源ESD994.2.2供电式ESD1034.2.3如何实现ESD保护1064.3参考文献110第5章汽车信道1135.1信道定义1145.2信道描述1165.2.1阻抗1165.2.2散射参数1175.2.3信道参数1195.3电缆和连接器1295.3.1电缆1315.3.2连接器1425.3.3何去何从1465.4印制电路板1475.5参考文献150第6章电源1556.1利用通信传输电力1556.1.1电源接通的一般注意事项1566.1.2差分供电（PoD）电缆1626.1.3同轴电缆供电1646.2省电模式1796.2.1电源模式之间的转换1816.2.2低功耗模式1826.2.3深度睡眠与唤醒1836.2.4浅睡眠1856.3参考文献187第7章汽车SerDes技术1907.1模拟传输1907.2低压差分信号（LVDS）1927.3专有汽车SerDes技术1937.3.1德州仪器的平板显示屏(FPD)链路1937.3.2模拟设备公司的千兆多媒体串行链路（GMSL）1987.3.3Inova公司的汽车像素链路（APIX）2007.3.4索尼公司的千兆视频接口（GVIF）2037.4MIPI A-PHY/IEEE 29772047.4.1A-PHY概述和术语2067.4.2A-PHY信道2087.4.3A-PHY物理层2117.4.4A-PHY数据链路层和更高层2207.5ASA动态链路（ASAML）2227.5.1ASAML信道2247.5.2ASAML物理层2267.5.3ASAML数据链路层2307.5.4ASAML安全性与防护性2317.5.5ASAML应用流封装协议（ASEP）2327.6参考文献235第8章高速汽车以太网2408.1物理（PHY）层技术2418.1.1适用于2.5、5和10Gbit/s的IEEE 802.3ch2428.1.2用于25Gbit/s 的IEEE 802.3cy2498.1.3通过光学介质实现2.5～50Gbit/s速率的IEEE 802.3cz2528.1.4非对称以太网2568.2相关协议2608.2.1节能2608.2.2时间敏感网络（TSN）的服务质量（QoS）2648.2.3安全2738.3汽车以太网与汽车SerDes2758.3.1原理比较2758.3.2具体比较2788.4参考文献281第9章相关标准和协议2889.1颜色格式2889.2视频压缩格式2909.2.1(M)JPEG2919.2.2MPEG(H.26x)2939.2.3VESA显示压缩编解码器2969.3内容保护2989.4音频接口3009.5控制接口3019.5.1通用输入/输出(GPI/O)3029.5.2串行外设接口(SPI)3029.5.3集成电路总线（I2C）3049.5.4MIPI改进型集成电路总线（I3C）3089.5.5改用内存映射3099.6摄像协议3139.6.1MIPI CSI-23149.6.2MIPI D-PHY和C-PHY3149.6.3MIPI CCS和CSE3169.7显示协议3179.7.1开放式LVDS数字接口（OpenLDI）3189.7.2数字视频接口（DVI）3199.7.3高清多媒体接口(HDMI)3219.7.4MIPI显示串行接口(DSI-2)3249.7.5显示端口（DP）和嵌入式显示端口（eDP）3259.7.6V-by-One3279.7.7通用串行总线（USB）-C3299.7.8概述与比较3299.8参考文献331第10章测试和认证33810.1开发方法和测试33910.1.1瀑布模型33910.1.2V模型34010.1.3敏捷开发34110.2专为可测试性而设计34210.2.1内置状态寄存器和质量指示器34310.2.2信息的可访问性34310.2.3测试扫描线34510.2.4环回测试34610.2.5内建自测试功能34710.3测试特性34810.3.1测试指标34810.3.2被测设备34810.4测试规范34910.4.1ISO 9646一致性测试方法35010.4.2汽车以太网测试规范35210.4.3汽车SerDes测试规范35310.5工具35410.5.1信道测试工具35410.5.2发射机/收发机测试工具35610.5.3评估数据内容的工具35810.6测试经验35910.6.1测试序列的陷阱35910.6.2意外的系统行为36010.6.3未发现错误36110.7参考文献361

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